核电厂压空管网异常运行与波动特征

于泽生

中核辽宁核电有限公司 辽宁 葫芦岛 125000

前言

压空系统管网根据重要性划分为不同等级的区域，在异常工况下将逐步隔离次要区域，优先保证重要区域供气。压空管网有总体的供气流量平衡，在压力变化和压力波动方式上也有相应特征。

1.核电厂压空管网总体介绍与异常工况运行

1.1 管网布置

对于M310核电机组，压空管网依托地下廊道遍布核岛、常规岛和外围的各个厂房。其中SAP为压缩空气生产系统，主要设备包括主空压站内的主空压机、干燥器和储罐，分别位于5、6号机核岛的应急空压机、干燥器和储罐，以及地下廊道内通向各个厂房前的管道。对于用户压空管网，由主空压站生产出的压空分别供给仪用压缩空气分配系统（SAR）和公用压缩空气分配系统（SAT）。SAR的主要用户为气动阀门、仪表和气封装置等；SAT的主要作用为系统吹扫、提供正压和气动泵动力，SAT在各个预期用气的房间内设置快速接头，用于接设临时用气设备[1]。

1.2 压空系统异常工况运行

在两台机组的核岛厂房W214、W254房间内分别设置由两台应急空压机，当管网压力下降至低值（0.68/0.66MPa）时应急启动，为SAR管网供气。根据压空的功能和重要程度，压空管网可划分为以下四个等级，当发生压力下降的异常工况时，根据压降严重程度，自动切除低优先级管网、启动应急空压机。

当压力低于0.76MPa时，为常规岛/外围厂房公用压空供气的5M1/6M2SAT002VA自动关闭，切除该区域负荷。如果压力继续下降，当降低到0.68MPa时，将启动处于基本负荷状态的应急空压机；降低到0.66MPa时，将启动第二台处于备用状态的应急空压机。应急空压机启动后，为防止逆止阀失效导致应急空压机供气流向可能存在漏点的SAT区域，将人为关闭5M1/6M2SAP069VA，切断SAR管网与上游联系。若此时压力依然无法维持，下降至0.58MPa时，气动调阀5M1/6M2SAP067VA将接受经PID计算得到的开度指令进行动作，管网压力越低关闭速度越快，直至全关，切除常规岛/外围厂房仪用压空，但即使压力为零的情况下阀门全关也需要约20min[2]。

2.压空管网波动特征

2.1 空压机加卸载与压空总流量平衡

田湾5、6号机组主空压机和应急空压机均为无锡压缩机股份有限公司供货的无油螺杆式空压机，工作原理为压缩机气缸内平行配置的互相啮合的阴、阳转子作反方向旋转，从而使处于转子齿槽之间的容积产生周期性的变化，随着转子旋转，齿槽不断完成吸气、容积封闭、容积压缩和排气过程，最终完成压缩空气的平稳连续产出。

由于空压机转速一定，产气量为恒定值，主空压机为0.9MPa下35m³/min，应急空压机为0.9MPa下25m³/min，但是压空管网总体用气量在各个工况下并不相同，为了平衡供气量和耗气量，空压机设置了加载运行和卸载运行模式，加、卸载运行通过位于空压机进气管线上的减荷阀和空压机本体出口的压力传感器控制。当空压机保持卸载运行使压力下降到加载值时，空压机开始进行加载运行，减荷阀打开，空压机以额定流量输出压空；当空压机持续加载使压力上升到卸载值时，空压机开始进行卸载运行，减荷阀关闭，只有极少量空气进入，防止气缸真空度过大使排气温度过高，空压机不对外输出压空。所以，在空压机正常加卸载运行期间，压空流量平衡的关系为：

在该式中，耗气流量在不进行吹扫等特定工作时较为稳定，相当部分用于管网泄漏的补偿。当管网供需关系达到稳态进行周期性波动时，空压机在完整波动周期内的累计加载运行时间即与耗气流量成正比。

2.2 压空管网压力波动方式

受空压机加卸载、管网压空储罐和逆止阀、以及耗气流量的影响，近空压机侧上游管网和下游末端管网的压力波动特点有显著的不同。整体呈现上游波动大、平均压力高，下游波动小、平均压力低的特点。以各厂房内用户管网储气罐的前的逆止阀为边界，上游管网指主空压站压空设施和从主空压站通向各厂房在廊道内管道，下游管网为各个厂房内用户管道管网。

2.2.1 近主空压机上游管网波动方式

表1 压空系统切除管网方式

对于上游管网，流量为全厂耗气需求流量，压空供求关系的改变会迅速体现在压力变化上。在厂内无极端用气变化时，总耗气流量变化较小，上游压空管网压力波动方式直接取决于空压机加卸载运行状态。

在空压机卸载期间，上游管网处于一种“自由落体”状态。在无逆止阀阻拦的路径中，管道内残存的压空将从压力高点，一般为压空储罐，流向压力低点。这一现象在主空压机出口的湿压空储罐最为明显。该储罐与空压机间不设置逆止阀，目的就是使湿储罐与上游压力共同变化，在空压机卸载期间反向向空压机出口处补气，减缓该处压力下降的速率，保证一定的卸载时间，防止空压机过于频繁地加卸载切换。在干燥器预过滤器持续排污、空压机内部管线泄漏和下游其他储罐的缓冲等因素的作用下，湿储罐在卸载期间的压力下降速率要远高于其下游地点的压力下降速率，这就导致空压机卸载时间的长短几乎不受管网总体耗气量变化的影响，而是主要取决于湿储罐的容量、加卸载值区间大小和附近设备管道的漏气量这些正常不会改变的参数，故主空压机在各种工况下的卸载时间基本不变，约为30s。

2.2.2 上游管网压力波动方式

对于上游管网，其一个完整的压力波动周期并不是一个加载与一个卸载的循环，而是多个加卸载循环组成的一个较长时间跨度的波动，这种现象的主要原因就是压空压力的传递在广泛分布且布置曲折的核电厂压空管网中有一定滞后性。在已经减缓了空压机加卸载导致的剧烈波动的ZC干储罐下游，主要为廊道内的通向各个厂房的0SAP管线内，如图1中代表TW2SAT201MP压力变化趋势的第一条红色趋势线所示，虽然压力传感器所在位置仍能明显地显示出主空压机加卸载造成的压力影响，但压力的整体变化趋势已经形成一个独立的波动规律，即每3-4个连续的短加载和1个长加载组成一个完整波动周期，时长约20min。在连续短加载期间，整体压力趋势处于波峰，上游管网压力梯度建立后继续短暂加载即可达到卸载值；在长加载期间，整体压力趋势处于波谷，上游管网压力梯度建立后仍需一段较长时间的加载才能达到卸载值。

图1 压空管网压力波动趋势图

2.2.3 下游管网压力波动方式

对于下游管网，其波动的方式按照整体耗气量的大小分为两种情况。

当下游管网整体耗气量较大时，其对上游管网的依赖性高、关联性强，其整体性波动特征与上游管网相同，但不可避免是下游管网的空压机加卸载的瞬间波动离空压机距离越远特征越弱。如在图1中，最下方黄色线的为6M2SAR151MP的趋势图，体现了6号机常规岛仪用压空母管压力在调试期间某一时段管线的波动方式，因为调试期间该区域管网耗气量较大，其整体性的波动特征仍与上游管网的6M2SAT201MP的整体性波峰波谷保持一致。但因为管道距离距主空压机较远，已处于末端管网，空压机加卸载瞬时造成的压力突变已几乎完全消失，曲线接近圆滑。

当下游管网整体耗气量较小时，其对上游管网的依赖性低、关联性弱，其整体性波动特征不同于上游管网，呈现出独立的整体性波动特征。如图2中的紫色和黄色曲线，分别代表5号机下游管网上5M1SAP001MP和5M1SAR151MP的压力波动趋势；最上方的红色线为5M1SAT201MP，反应的是位于上游的廊道压空的压力变化。在趋势图所在的时期，5号机处于正常运行状态，整体耗气量较小，而6号机处于集中调试期间，占用了主空压机的主要耗气份额。

图2 压空管网压力波动趋势图

3.结论

核电厂压空系统通过压力监测并根据用户重要程度建立不同保障程度的压空管网。同时，压空管网作为一个开式系统，其不同区域的压力水平与供气和耗气流量紧密相连，且受管道管径和位于管网位置的显著影响。可以通过对压力波动趋势的监测对整个压空管网对运行状态进行总体评估，进而确定供气可靠程度并有利于发现潜在漏气点，压空系统稳定运行作为核电站核安全纵深防御的重要一环，对于整个电站的平稳运行有着重要的意义。